扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵設(shè)計

劉 天 為

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 研究背景

攔污柵的功能為阻止植物根莖、生活廢物與工業(yè)垃圾等污物進入工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免上述異物對建筑物與設(shè)備造成危害。目前攔污柵按結(jié)構(gòu)類型可劃分成平面式和旋轉(zhuǎn)式。平面式攔污柵在工程中一般豎向布設(shè)兩道，當發(fā)生污物堵塞現(xiàn)象時，將攔污柵提出門槽進行輪流清污。平面式攔污柵清污較為困難，需配備啟閉及清污等專門設(shè)備進行污物清除。旋轉(zhuǎn)式攔污柵在柵面上布設(shè)清污齒，利用清污齒的轉(zhuǎn)動來清理污物。因河流中各類異物來源多樣及型式多種，清污齒的大小難以確定，清污齒的轉(zhuǎn)動容易被污物堵塞卡死，進而導(dǎo)致清污設(shè)備停機清理[1]。

由于河道中異物數(shù)目及尺寸難以準確預(yù)估與控制，進水口上游匯集的異物難以及時得到有效清除，攔污設(shè)施被堵塞現(xiàn)象常有發(fā)生，將造成下列后果：攔污柵上下游側(cè)的水位差逐漸增大，進而降低水利水電工程的出力與效率；柵前污物逐漸堆積，柵面有效過水面積減小，柵前污物在水流推力作用下不斷撞擊攔污柵，導(dǎo)致攔污柵的變形及損壞；若發(fā)生嚴重堵塞現(xiàn)象將導(dǎo)致水電站被迫停機清污，影響工業(yè)生產(chǎn)、居民用電及電站效益[2-3]。

2 工程現(xiàn)狀與研究進展

目前我國完建運行的水利水電工程，已發(fā)生多例攔污設(shè)施被嚴重堵塞現(xiàn)象。針對各類水利水電工程的不同結(jié)構(gòu)布置特征，研究人員根據(jù)實際情況因地制宜地采用了多種處理措施，但效果有限且操作較為復(fù)雜。瀾滄江功果橋水電站采用岸塔式進水口與平面式攔污柵，運行僅5年即發(fā)生柵前污物嚴重堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致機組部件磨損并嚴重影響電站的平穩(wěn)運行。為解決功果橋柵前淤積問題，謝文明[4]采用了上游庫區(qū)清漂、增加清污頻率并改造攔污柵門槽混凝土結(jié)構(gòu)等措施。浙江省趙山渡水電站采用河床式發(fā)電廠房，因柵前污物堆積現(xiàn)象日益嚴重且難以得到有效清理，電站的引用流量與利用水頭受到較大影響，導(dǎo)致水輪發(fā)電機組的實際出力僅為設(shè)計值的50%左右，闕劍生等[5]必須對取水與攔污結(jié)構(gòu)進行改造，并在水庫上游增加了清漂與攔污設(shè)備。福建省古田溪梯級水電站采用河岸斜坡式進水口與傾斜布置攔污柵，運行僅4年即發(fā)現(xiàn)攔污柵被植物根莖與枝干挾裹泥沙堵死，攔污柵上下游側(cè)的最大水位差達到了4.4 m，攔污柵上的柵片與結(jié)構(gòu)梁發(fā)生嚴重彎曲變形。古田水電站停機清污后的效果維持時間不到2年，攔污設(shè)施被嚴重堵塞現(xiàn)象再次發(fā)生。針對上述問題，何乃珍[6]對攔污設(shè)施采取臨時加固措施、定期更換攔污柵并在后期采用梯級電站系統(tǒng)調(diào)度運行與建立即時監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)工程調(diào)研與文獻歸納，攔污柵前污物匯集且較難清除的現(xiàn)象在各類水利水電工程中較為常見且較難解決。

為解決上述問題，針對攔污柵的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計及攔污清污效果，目前已有部分學(xué)者進行了系列研究并取得一定進展。李勝等[7]等研究了傳統(tǒng)平面直立式攔污柵與液壓式清污耙斗的結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計。任玉珊等[8]針對已投產(chǎn)運行項目發(fā)生攔污柵柵前污物堵塞的現(xiàn)象，通過水工模型試驗探討了攔污柵堵塞程度與水頭損失的關(guān)系。張多鋒等[9]系統(tǒng)性研究了攔污柵前污物匯集的力學(xué)影響并對攔污柵與水面的傾角提出優(yōu)化建議。但針對攔污、集污、清污的全過程解決方案，目前學(xué)術(shù)界在這方面的研究較少。本文提出一種集攔污、集污、清污功能于一體，能夠解決攔污柵堵塞現(xiàn)象的扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵設(shè)計方案，可供工程設(shè)計人員參考。

3 扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 攔污柵的結(jié)構(gòu)型式

扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵的工程平面布置見圖1。扇形攔污柵位于取水建筑物上游側(cè)，其動力裝置設(shè)置于閘墩上。攔污柵兩側(cè)閘墩高于洪水位，動力裝置的運行不受水位漲落的影響。在扇形攔污柵上游與下游位置，布置柵差監(jiān)測系統(tǒng)來控制攔污柵運行。在扇形攔污柵的下游方向，設(shè)置工作橋及傳送皮帶，方便污物的及時處理。

扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵由豎直攔污柵和扇形攔污柵組成，扇形攔污柵又分為機動清污斜面網(wǎng)和擋污扇面網(wǎng)。扇形攔污柵頂部由一根高強度的動力軸貫穿固定，動力裝置可通過控制動力軸的轉(zhuǎn)動來控制攔污柵的回轉(zhuǎn)。攔污柵具體結(jié)構(gòu)型式詳見圖2。

圖1 扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵平面圖

圖2 扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵結(jié)構(gòu)圖

3.2 攔污柵的工作原理

扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵的作業(yè)原理如下：

(1)攔污柵柵前污物主要為漂浮物并匯集于水流表面。豎直攔污柵位于進水口上游側(cè)最低水位以下，機動清污斜面網(wǎng)與水流表面成一定緩傾角。利用水流沖力，使水中污物主要匯集在機動清污斜面網(wǎng)上。扇形回轉(zhuǎn)式攔污柵的攔污與集污工作原理見圖3。

(2)當污物在機動清污斜面網(wǎng)上匯集到一定數(shù)量時，工作人員可通過機械控制清污斜面網(wǎng)的順時針上揚來清理污物。清污工作原理見圖4。

(3)在順時針上揚斜面網(wǎng)進行清污的過程中，擋污扇面網(wǎng)與豎直攔污柵始終呈良好的相切關(guān)系，既防止污物在斜面網(wǎng)順時針上揚過程中掠過攔污柵，又可保障機組正常運行所需流量。清污工作原理見圖5。

圖3 攔污與集污工作原理圖

圖4 清污工作原理(步驟1)

圖5 清污工作原理(步驟2)

扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵的攔污、集污與清污效果高效、經(jīng)濟、徹底，提高了工程的運行效率與經(jīng)濟效益。

4 自控清污工作流程

為實現(xiàn)扇形回轉(zhuǎn)式攔污柵的自動控制，滿足不同工作情景下的多種功能需求，本文進一步提出扇形回轉(zhuǎn)式攔污柵的自動化作業(yè)工作系統(tǒng)。扇形回轉(zhuǎn)式攔污柵的自動控制系統(tǒng)主要由監(jiān)測模式、作業(yè)模式、報警模式、檢修模式組成，其具體工作流程如下：

(1)監(jiān)測模式。在水利水電工程運行期間，扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵處于監(jiān)測模式狀態(tài)。利用柵差自動監(jiān)測系統(tǒng)來計算柵前與柵后的水面高程，進而推算柵前污物的堆積數(shù)量及情況。

(2)作業(yè)模式。當柵前污物匯集程度達到程序設(shè)定閾值，系統(tǒng)自動啟動清污作業(yè)模式。當扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵開始繞高強度動力軸順時針旋轉(zhuǎn)時，清污傳送皮帶開始傳動。

(3)報警模式。當發(fā)生柵前污物嚴重堆積、攔污柵動力系統(tǒng)發(fā)生故障、攔污柵轉(zhuǎn)動意外受阻等現(xiàn)象時，系統(tǒng)啟動報警模式。

(4)檢修模式。在攔污柵系統(tǒng)需要在進行保養(yǎng)、維護及檢修狀態(tài)下使用時，保障攔污柵系統(tǒng)的運行穩(wěn)定及使用壽命。

扇形回轉(zhuǎn)式攔污柵的自控清污工作流程見圖6。

圖6 自控清污工作流程示意圖

5 創(chuàng)新特色及工程應(yīng)用

扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵不同于現(xiàn)有攔污柵的單一結(jié)構(gòu)型式，將豎直結(jié)構(gòu)和扇形結(jié)構(gòu)合為一體，加載自動控制工作系統(tǒng)，創(chuàng)新特色及工程應(yīng)用在于：

(1)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。不同于傳統(tǒng)平面直立式攔污柵，扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵由豎直攔污柵、機動清污斜面網(wǎng)和擋污扇面網(wǎng)組成。

(2)利用水流沖力集污。在水流沖力的作用下，利用機動清污斜面網(wǎng)與河道水面形成的緩傾角，使污物自動匯集于機動清污斜面網(wǎng)上。

(3)清污不停機。清污過程中擋污扇面網(wǎng)始終與豎向攔污柵保持良好的相切關(guān)系。污物無法翻過攔污柵，攔污柵在清污的同時能正常過水，停機清污的頻率得到極大降低，進而保障機組正常運行發(fā)電。

(4)自動控制化。加載監(jiān)控、作業(yè)、報警及檢修的自動控制系統(tǒng)，配備污物運輸皮帶、柵面前后水位感應(yīng)系統(tǒng)等自控設(shè)備，減少人工作業(yè)并提高運行穩(wěn)定性。

(5)應(yīng)用面廣。扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵能夠應(yīng)用于各類在建的水利工程和已投入運行但清污功能欠佳的水利工程。

6 結(jié) 語

攔污柵在工程運行中易于產(chǎn)生污物柵前匯集現(xiàn)象且較難清除，因此，筆者對攔污柵的結(jié)構(gòu)形式進行創(chuàng)新設(shè)計。根據(jù)扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵結(jié)構(gòu)及工作原理，筆者提出一種集攔污、集污、清污功能于一體，加載自動控制系統(tǒng)，能夠解決攔污柵堵塞現(xiàn)象的扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵設(shè)計方案。扇形回轉(zhuǎn)式自控攔污柵清污方便及時，能更好保障工程運行，降低了停機清污的可能性，提高工作效率，保證了攔污柵的工作平穩(wěn)性，具有較為顯著的工程實用價值與經(jīng)濟效益。